陳宜健
(廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院,廣東 廣州 510060)
按照《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)4.3.4條規(guī)定:計算涵洞頂上車輛荷載引起的豎向土壓力時,車輪按其著地面積的邊緣向下作30°角分布。文章利用有限元軟件MIDAS Civil建立板單元模型,按《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)車輛荷載進行加載:第一種是按車輛荷載直接加載;第二種是按車輪向下擴散為豎向土壓力加載。分析兩種結果的差異及其原因,提出箱涵結構在車輛荷載計算中的幾個注意問題。
圖1 車輛荷載
選取單孔箱涵為計算分析模型,結構尺寸為B×H=4 m×5 m,箱涵長度取10 m一節(jié),按兩車道布載,車輛重力標準值為550 kN。
加載時,第一種先用建立兩車道面,再加載車輛荷載(見圖1);第二種按車輪著地寬度及長度(0.6 m×0.2 m)向下作30°擴散為豎向土壓力加載(見圖2)。其中有關車輛荷載產生的豎向土壓力計算,可按照參考文獻[1]中的方法計算,在此不再重復討述。計算車輛荷載產生的豎向土壓力時,按實際位置和擴散范圍加載。
填土高度分別取 0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m、1.0 m,箱涵頂面由車輛荷載產生的土豎向壓力均布值Pcr見表1。
為方便分析兩種加載方式內力的差異,取頂板跨中截面彎矩作為研究對象,兩種加載方式內力分別見圖3、圖4。
按填土高度的不同,將兩種加載方式的計算結果列于表2。
圖2 車輛荷載產生的土壓力
表1 車輛荷載引起的土壓力
圖3 車輛荷載彎矩圖
圖4 車輛荷載產生的土壓力彎矩圖
由表2可以看出,第一種“按車輛荷載直接加載”與第二種“按車輪向下擴散為豎向土壓力加載”的計算結果存在差異,而且填土高度越小,計算結果差異越大。兩種加載方式差異的原因有以下幾點:
(1)計算車輛荷載產生的土壓力Pcr時,其值實際為兩車道范圍內疊加的最大值,加載時車輪擴散范圍內均取該值作為計算荷載,導致計算結果偏大;
(2)車輛荷載直接加載時,內力主要集中在車輪軌跡范圍,而按車輪向下擴散為豎向土壓力加載時,荷載擴散為均布荷載,當填土高度越大時,這種均布荷載更接近實際情況。
表2 頂板跨中每延米彎矩最大值
針對箱涵的計算方法有多種,計算原理基本相同,但各種方法的計算結果又存在一些差異。結合規(guī)范和工程實際,提出箱涵結構在車輛荷載計算中的幾個注意問題:
(1)填土高度較小時,宜采用車輛荷載直接加載,避免荷載效應過大;
(2)填土高度較大時,采用車輪向下擴散為豎向土壓力的加載方式更接近實際情況;
(3)計算車輛荷載產生的土壓力Pcr時,均布荷載在車輪擴散范圍內采用兩車道疊加的最大值,會導致計算結果偏大;
(4)箱涵計算時,宜采用每延米內力結果,以反映結構在局部加載等不利情況下的受力性能。